JP2012529171A - 効率の高い発光デバイス及び斯様なデバイスを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は一次光の光源10と、光変換媒体14と、光学構造部16とを有する発光デバイス2に関する。一次光の光源が基板11上に配置される。一次光の少なくとも一部を異なる波長をもつ二次光IIへと変換するために、蛍光体14を有する光変換媒体が配置される。当該光変換媒体は遠隔蛍光体で構成されている。光変換媒体からの二次光IIの一部を入力するために光学構造部が配置され、二次光の一部を第1の面へと向かう方向ではあるが、一次光の光源10に対しては離れる方向へとリダイレクトするために当該光学構造部が構成される。一次光の光源から距離をおくよう二次光をリダイレクトする光学構造部を提供することによって、一次光の光源による二次光の吸収が実質的に減じられるか又はなくすことができる。この二次光を発光デバイスから出射させるようリダイレクトすることによって、発光効率が改善される。

Description

本発明は効率の高い発光デバイスと、斯様なデバイスを製造する方法とに関する。例えば照明アプリケーション用に斯様なデバイスが使われている。本発明は特に、発光デバイスの効力を高めることに関し、光を変換する媒体を用いて一次光の光源の光が二次光へと変換される。

照明アプリケーション及び他のアプリケーション用の、例えば発光ダイオード（LED）を有するソリッドステート光源の使用が急増している。ソリッドステート照明は、非常に効率の高い照明デバイスを提供するという将来性を持っており、斯様な照明デバイスにおいて使われる発光デバイスの効力を更に高めるよう、技術的進歩の狙いが定められる。

しばしば、斯様なアプリケーション用の照明デバイスは白色光を出力することが必要とされる。斯様な照明デバイスを得る方法の一つが、ソリッドステート光源の一次光の少なくとも一部を、蛍光体種を用いて二次光へと変換することである。斯様な蛍光体を有する波長変換物質で青色光を部分的に変換することによって白色光が得られる。例えば発光ダイオード（LED）により発された青色光が、蛍光体によって部分的に吸収され、異なる色の光、例えば黄色光を蛍光体に生じさせる。LEDにより発された青色光が、蛍光体により発された黄色光と混合され、観察者は結果として生じた青色光と黄色光の混合光を白色光として認識する。

しかしながら蛍光体種は、等方性の配光パターンを有する二次光（例えば黄色光）を発する（即ち、二次光が４π以上の立体角で発される）。これ故、二次光の少なくとも一部が一次光の光源の方向へと後方に発されて、吸収される可能性があり、これにより、発光デバイスの効力を減じる。二次光の吸収が50％程度ある。米国特許公開公報US 2009/0001399はLEDのチップと蛍光体とを使用して白色発光ダイオードの照明効力を増す方法を開示している。一次光がLEDチップにより発され、蛍光体によって二次光へと変換される。LEDチップの一次光に対しては透明で、且つ蛍光体の二次光に対しては反射する、少なくとも一つの追加層又は追加材料がLEDチップと蛍光体との間に提供されている。追加層又は追加材料が二次光の吸収を減じる。

一次光と二次光とに対する追加層又は追加材料の透過率及び反射率は、それぞれ最適ではない。これ故、発光デバイスの効力が依然として更に改善されることができる。

本願明細書では一次光の光源と、光変換媒体と、光学構造部とを有する発光デバイスが開示されている。一次光を発するよう構成された一次光の光源が（例えば一次光の光源用の担体により規定される）第1の面に配置される。一次光の光源の少なくとも一部を一次光の波長とは異なる波長をもつ二次光へと変換するために、光変換媒体が配置される。当該光変換媒体は、一次光の光源から少し離れた場所にある第2の面に配置される。光学構造部は、光変換媒体からの二次光の一部を入力するよう配置され、二次光の出射を可能にするために、二次光の一部を第1の面へと向かう方向で且つ一次光の光源からは離れる方向へとリダイレクトするよう構成される。

エリア又は部屋を照明するための、斯様な発光デバイスを有する照明デバイスも開示されている。

発光デバイスを製造する方法も開示されている。当該製造方法は、一次光を提供するための担体上に一次光の光源を提供するステップと、一次光の光源から少し離れた場所に光変換媒体を配置するステップと、を含む。光変換媒体は一次光の光源の少なくとも一部を、一次光の波長とは異なる波長をもつ二次光へと変換できる。光学構造部が、一次光の光源に面して設けられる。当該光学構造部は光変換媒体からの二次光の一部を入力するよう配置され、二次光の一部を担体に向かう方向で且つ一次光の光源から離れる方向へとリダイレクトするよう配置される。

二次光を一次光の光源から離れるようリダイレクトする目的で構成された光学構造部を設けることによって、一次光の光源による二次光の吸収は、中間層又は中間材料を必要とすることなく実質的に減じる又は除去することができる。発光デバイスの一部の構造的な形状変化が、一次光の光源から離れる二次光のリダイレクションを提供する。この二次光を直接的か、又は間接的、即ち更なるリダイレクション構造部を介するか、の何れかで発光デバイスから出射するようにリダイレクトすることによって、発光効率が改善されることができる。

光学構造部の例は、フレネルレンズ・タイプの構造である。

第1の面及び第2の面のうちの少なくとも一つは、例えば湾曲する面を有することを理解されたい。平面ではない第2の面の例が、下で更に説明されるであろうドーム形の光変換材料により提供される。

請求項２、請求項３、及び請求項１４の実施例が、二次光の一部のリダイレクションを可能にする効果的な光学構造部を提供するが、一方、一次光に対する透過率及び二次光の一部に対する反射率に関する同構造部の考察とは実質的に独立している。

請求項４の実施例が製造面からは有益である。更にまた、光学構造部が光変換媒体で形成されていてもよい。

光変換媒体を有するコンポーネントによって一次光が効果的に遮られる点で、請求項５の実施例が好都合である。光変換媒体中の一次光に対する光路が全ての発光角度に対して実質的に同一であり、これにより、等しい二次光の発生を当該コンポーネント上で可能にする点で、請求項６の実施例が有益である。

請求項７の実施例は、光学構造部を提供するのに比較的容易で且つ経済的で効率的に加工されることができるコンポーネントの材料を提供する。請求項８の実施例は一次光の光源へと向かう光の量を更に減じ、結果として吸収ロスを減じる長所を提供する。

請求項９及び請求項１０の実施例は、発光デバイスの効力を増すために、二次光のリダイレクトされた部分を更にリダイレクトする手段を提供する。反射部の反射率は少なくとも95％である。

国際特許公開公報WO 2008/060586は、遠隔蛍光体発光デバイスの実施例を開示しており、一次光の光源へと向かうインタフェース上で蛍光体層が粗くされていた。粗くされた蛍光体層が一次光の反射を減じることによって、即ち二次光を（リ）ダイレクトするのではなく、蛍光体層の変換効率を改善することを意図している。二次光の有意な量が依然として一次光の光源に行き当たるような二次光に関しては、粗くされた蛍光体層が二次光のランバート配光を一次光と同じく提供することだろう。

本発明の一実施例による発光デバイスを有する照明装置の概観的な例示を示す。 本発明の一実施例による発光デバイスの平面図の概観的な例示を示す。 図2の発光装置のIII〜IIIに沿った断面の概観的な例示であって、本発明によるドーム形のコンポーネントを有する発光デバイスの光源が一次光を発する様子を示す。 図3Aで発した一次光の一部が蛍光体で後方に反射されて二次光となり、光源を避けて伝播する様子を示す。 コンポーネントと光学構造部とが別の層である、発光デバイスの断面を例示する。 頭部を切り捨てた逆ピラミッド形のコンポーネントを有する、発光デバイスの断面を例示する。

図1は、例えばエリア又は空間を照らすための照明アプリケーション用に構成された照明装置1の概観的な例示である。当該照明装置1は発光デバイス2と、ダイクロイックミラー又は反射器などの反射面3とを有する。反射面3を最適に利用するために、発光デバイス2の直径Dは好ましくは小さく、点光源に近い。

図2は、照明装置1の発光デバイス2の平面図を提供している。図3A及び図3Bは、図2の線III〜IIIに沿った断面図である。

発光デバイス2は、基板11上に提供されている一次光の光源10を有する。一次光の光源10は一つ以上の発光ダイオードを有し、電流がこれらのダイオードを通じて流れることができるように構成されている。この結果、ダイオードは第1の波長をもつ一次光I（例えば360nm乃至480nm、例えば460nmの波長範囲にある青色光）を発する。ダイオードが全て単一の波長の一次光を必ずしも発するわけではないことが理解されるべきである。ハイブリッドな解決案が想定されることができ、幾つかのダイオードが第1の波長（例えば青色）の光を発し、他のダイオードが異なる波長（例えば赤色）の光を発する。（複数の）ダイオードからの一次光の結合を強化するために、例えばシリコン封入材（図示せず）がダイオード上に提供されてもよい。

発光デバイス2は、いわゆる遠隔蛍光体をもつ構成を有し、蛍光体物質14を含んでいるコンポーネント13が一次光の光源10から少し離れて配置される。換言すれば、 一次光の光源10は第1の面にあるが、蛍光体物質は第1の面から離れた第2の（湾曲した）面に規定される。一次光の光源10とコンポーネント13との間の典型的な距離は1mm乃至10mmである。蛍光体14は、光変換媒体としての能力で知られている。即ち、第1の波長をもつ発光ダイオードの一次光Iの少なくとも一部を、第1の波長とは異なる第2の波長をもつ二次光IIへと変換する能力で知られている。例えば、青色の一次光が部分的に黄色光へと変換される。青色光及び黄色光の混合物は、観察者に対して白色の輝きWを提供する。異なる変換（即ち、異なる第2の波長）も、例えば蛍光体のタイプの選択に応じて考えられる。例えば、一次光Iを白色の輝きWを提供するために混合する異なる波長をもつ二次光IIへと変換する、複数の異なる蛍光体が選択されてもよい。蛍光体のタイプ及び一次光のタイプに応じてオフ‐ホワイトの照明も得られることが理解されるべきである。

コンポーネント13はドーム形の外形を有し、一次光の光源10が当該ドームの中心に配置されている。ドーム形のコンポーネント13は、半径方向にかかわりなく等しい光路をコンポーネント13内で一次光Ｉに提供する。ドーム13は空気チャンバ15を規定しており、これはドーム13の屈折率と当該空気チャンバ15の屈折率との間に少なからぬ差を得るためである。しかしながらチャンバ15が、ドーム13と比較して適切な屈折率の差を有する物質で満たされてもよい。

蛍光体14は、全ての方向に均一に二次光IIを発する。これ故、発された二次光IIの一部が不可避的に、外側ではなく一次光の光源10の方向へと後方に導かれる。何らかの対策を採らないと、この二次光IIの相当な部分が一次光の光源10により吸収され、これにより、発光デバイス2の効力を減じる。二次光IIの一部の吸収は、結果として一次光の光源10の相対的な面積がより大きくなるので、より小さな発光源の方が、より多いことであろう。

図3A及び図3Bの実施例の目的は、発光デバイス2の後方へと発される二次光の一部が一次光の光源10により吸収されるのを実質的に防止することである。

このために、光学構造部16がコンポーネント13と一体化して形成される。光学構造部16は蛍光体14からの二次光IIの一部を入力するよう配置され、図3Bに示すように、二次光の一部を基板11の方へ、しかし一次光の光源10からは離れる方向へとリダイレクトするよう形成される。これ故、一次光の光源10による二次光IIの一部の吸収が実質的に防止されることができる。

更に詳細に説明すると、光学構造部16は、蛍光体14によって発生した二次光IIが基板11へ向かう方向へ、しかし一次光の光源10からは離れる方向に屈折するよう配向された、特別に設計された複数の表面17を有する。二次光IIの別の部分は、表面17で内部全反射して、空気チャンバ15に入り込むことなく、コンポーネント13を出てゆくことであろう。

図3A及び図3Bに例示したように、これらの表面17の方位は、一次光の光源10に対する角度位置に応じてコンポーネント13に沿って変化する。特に、基板11の近くで隣接する面17は互いに直交するよう配向され、一方、一次光の光源10の上では（即ちドーム天頂の近くでは）表面17は、より小さな角度を規定する。

発光デバイス2は、基板11に又は同基板上に設けられた反射器18を有する。図2から観察されることができるように、反射器18は光源10を実質的に囲んでいる。二次光IIが最終的に発光デバイス2から出力される確率を増し、これにより、発光デバイス2の発光効率を上昇させるために、光学構造部16によってリダイレクトされた二次光IIの一部が反射器18へと好ましくは導かれる。

コンポーネント13は、好ましくはプラスチック（例えばPC若しくはPMMI）又はシリコンにて作られる。これらの材料は比較的安価であり、光学構造部16を提供するために、比較的容易に型成形されることができる。代替的には、コンポーネント13はセラミック材料で作られる。

（複数の）蛍光体14が、コンポーネント13を型成形する前に加えられるか、又は後の工程で加えられる。蛍光体がコンポーネント13の外側に、即ち一次光の光源10から見て外側に、同コンポーネント上に層又はシェルを形成するようコーティングされてもよい。図2、図3A、及び図3Bの実施例のさまざまな変形例が構想されたことを理解されたい。

図4Aに概観的に例示されている一例は、コンポーネント13に取り付けられた別の層20をもつアプリケーションに関する。当該別の層20は、例えば二次光の一部の屈折によって二次光IIの一部を基板11へと向かう方向へ、しかし一次光の光源10からは離れる方向へとリダイレクトする光学構造部16を有する。

別の例は、コンポーネント13の異なる構成、即ちドーム形のコンポーネント以外の構成に関する。図4Bは、二次光を基板31へ向かう方向へと導くが、しかし上で説明したように一次光の光源30から距離をおくよう導く表面37を有する光学構造部36を具備している、頭部を切り捨てた逆ピラミッド形のコンポーネント33の概観的な例示を提供している。表面37は隣接する面37が点Aで接するように配向され、一次光の光源30の中心と点Aとの間に描かれた破線が、表面37の鋭角を実質的に等しい角度に分割する。チャンバ35が、頭部を切り捨てた逆ピラミッド形のコンポーネント33の屈折率以下の屈折率を有する空気などの物質で満たされて存在する。

開示された実施例に対する他のバリエーションが、図面、開示物、及び添付の請求項の学習から、請求された本発明を実施する際に当業者により理解されることができ且つ遂行されることができる。請求項において、単語「有する」が他のエレメント又はステップを除外することはなく、不定冠詞「a」又は「an」が複数を除外することはない。特定の手段が相互に異なる従属請求項において羅列されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われ得ないとは示していない。請求項中のいかなる参照符号も、本発明の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (14)

1. 一次光を発するために第1の面に配置された一次光の光源と、
   前記第1の面から距離をおいた第2の面に配置された光変換部であって、少なくとも前記一次光の一部を当該一次光の波長とは異なる波長の二次光へと変換するための光変換部と、
   前記第1の面と前記第2の面との間に配置された光学構造部と、を有する、発光デバイスであって、
   前記光学構造部は、当該光変換部からの前記二次光の一部が入力され、前記二次光の透過を可能にするために、前記二次光の一部を、前記第1の面へと向かう方向で且つ前記一次光の光源からは離れる方向へとリダイレクトする、発光デバイス。
2. 前記光学構造部が屈折構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記一次光の光源を少なくとも部分的に囲んでいるエリアを規定している前記第1の面へと向かう方向に前記二次光の一部がリダイレクトされるよう配向された複数の表面を前記光学構造部が有することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
4. 前記光変換部と前記光学構造部とが一体化された立体を形成することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
5. 前記光変換部が、前記一次光の光源を少なくとも部分的に囲んでいるコンポーネントに含まれていることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
6. 前記コンポーネントがドーム形のコンポーネントであることを特徴とする、請求項５に記載の発光デバイス。
7. 前記コンポーネントがプラスチックか、セラミック材料か、又はシリコン材料を有することを特徴とする、請求項５に記載の発光デバイス。
8. 前記一次光の光源と前記光変換部との間にエアギャップを規定しているスペースを更に有する、請求項１に記載の発光デバイス。
9. 前記光学構造部によってリダイレクトされた前記二次光の一部を入力するための反射器を更に有する、請求項１に記載の発光デバイス。
10. 前記反射器が、前記一次光の光源を少なくとも部分的に囲んでいる前記第1の面内に実質的に配置されているか、又は当該面と平行に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の発光デバイス。
11. 前記一次光の光源が、前記一次光を生成するための1個以上の発光ダイオードを有することを特徴とし、前記光変換部が、前記二次光を生成するための少なくとも一つの蛍光体成分を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
12. エリア又は部屋を照らすための照明装置であって、請求項１乃至１１の一つ以上に記載の発光デバイスと、当該発光デバイスを少なくとも部分的に封入している部材と、を有し、前記発光デバイスにより発された光を反射するための少なくとも一つの反射面を当該部材が有することを特徴とする、照明装置。
13. 発光デバイスを製造する方法であって、
    一次光を提供するための一次光の光源を担体上に提供するステップと、
    少なくとも前記一次光の一部を当該一次光の波長とは異なる波長をもつ二次光に変換できる光変換部を前記担体から距離をおいて配置するステップと、
    光学構造部を前記一次光の光源に面して提供するステップと、
    を含み、前記光学構造部は、前記光変換部からの前記二次光の一部が入力され、前記二次光の一部を、前記担体へと向かう方向で且つ前記一次光の光源からは離れる方向へとリダイレクトするために配置されていることを特徴とする、方法。
14. 前記光学構造部をコンポーネント中に設けるステップを更に含む請求項１３に記載の方法であって、複数の表面を設けるよう前記コンポーネントを加工することによって前記光学構造部が得られ、前記一次光の光源を少なくとも部分的に囲んでいるエリアを規定している第1の面へと向かう方向に前記二次光の一部がリダイレクトされるよう当該複数の表面が配向されていることを特徴とする、方法。

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